按照蒸汽所含能量在汽轮机级内转换为机械功的方式，汽轮机的级可分为冲动级、反动级和速度级3种。
图2为冲动级的工作原理示意图。蒸汽在喷嘴中膨胀，压力从进口的p0降到出口的p1(图2a)。随着喷嘴流道截面积的逐步减小(图2b)，蒸汽在喷嘴中的速度逐渐增加。蒸汽所含能量转变为汽流的动能,流出喷嘴时绝对速度为c1，汽流角为α1。由于动叶的圆周速度为u,进入动叶的蒸汽相对速度为w1，汽流角为β1。蒸汽流过动叶时压力没有变化，即动叶出口的压力p2等于进口的压力p1。动叶出口的相对速度为w2,汽流角为β2，绝对速度为c2，汽流角为α2(图2c)。汽流通过动叶时，方向发生变化，汽流的动量也发生变化，因而对动叶片产生作用力，推动转子旋转作功。冲动级动叶的叶型接近于左右对称。在喷嘴和动叶的进、出口，汽流速度的大小和方向可按一定比例用矢量线段的大小和方向来表示，这些矢量线段构成所谓速度三角形。 在以焓H为纵坐标，以熵S为横坐标的H-S图上(图2d)，从喷嘴进口的蒸汽状态点到级后静压p2作一等熵线。此线起点的焓值为H0,终点的焓值为H2,差值H0-H2=I0称为等熵焓降。单位为千焦耳/千克。等熵焓降转换为汽流动能之后,相应喷嘴出口的汽流理想速度。但喷嘴中的流动存在损失，故出口实际汽流速度c1=嗞c1t，嗞称为喷嘴速度系数，一般为0.96~0.98。同样，由于流动损失，动叶出口汽流相对速度w2=w1,称为动叶速度系数,一般为0.92~0.95。由于汽流速度和方向的改变，质量流量为1千克/秒的蒸汽流过动叶时产生的轮周力为Fu=c1cosα1+c2cosα2牛顿，相应的功率称为轮周功率Pu，或用焓降Hu表示:Pu=Hu=Fu·u=u(c1cosα1+c2cosα2)。这样,通过H-S图和速度三角形图就可完成蒸汽能量转换为功的定量计算。
轮周能量转换的效率可由Hu与I0之比表示，称为轮周效率，它与叶片高度等有关，最高可达90%以上。动叶圆周速度u与喷嘴出口汽流速度c1之比称为速度比,它对汽轮机级的轮周效率有决定性影响。当速度比为零时，蒸汽对主轴所产生的力矩最大,但因圆周速度为零,故级的功率为零，轮周效率也为零。当速度比接近1时,叶片运动速度与蒸汽流动速度相近，蒸汽作用在叶片上的力和对主轴的力矩都等于零，故级的功率和轮周效率也等于零。理论上在速度比为cosα1/2时，轮周效率和功率达到最大值(图1)。此时，出口汽流所具有的剩余动能(余速损失)最小。
图3为反动级的工作原理示意图。与冲动级相比，反动级的特点是蒸汽在静叶和动叶的流道中都发生膨胀,因而p0>p1>p2。在图3d的H-S图上表示的动叶等熵焓降为Hb，静叶(喷嘴)的等熵焓降为Hu。Hb与I0之比称为反动度。反动级的反动度一般为50%。反动度的存在使蒸汽在动叶的流道中加速，流动性能有所改善。因此，现代冲动级中往往也带有少量反动度 (=0.05~0.10)。反动级的动叶与静叶的型线基本相同(图3b)。理论上，反动级的速度比u/c1为 cosα1时轮周效率最高。在直径和转速相同的条件下，在理论最佳速度比时，一个反动级的等熵焓降为一个冲动级的一半。因此，在一台条件相似汽轮机中，反动级的级数比冲动级的多。冲动级和反动级作为两种基本的级型在各类汽轮机中得到广泛的应用。
图4为速度级的工作原理示意图。速度级分几次利用蒸汽在喷嘴中膨胀后的动能,一般有两列动叶。理论上,双列速度级的最佳速度比为cosα1/4，它的做功能力在相同条件下相当于3~4个冲动级或6~8个反动级。当蒸汽的等熵焓降大于一般的冲动级或反动级所能有效利用的限度而又不希望采用多级汽轮机时，采用一个速度级往往是最有利的方案。然而，速度级的轮周效率较低，一般不超过80%。速度级大多用于单级汽轮机或作为中、小型多级冲动式汽轮机和多级反动式汽轮机的第一级(调节级)。为了改善流动性能，现代速度级的各列动叶片和导向叶片也具有少量的反动度(图4a)。
在有些速度级和冲动级中，只在整个圆周的部分圆弧上装有喷嘴，其余部分圆弧处不通过蒸汽，这种级称为部分进汽级。对于蒸汽流量较小的级，它能加大叶高，以减少损失。
